车削中心机械结构设计

摘 要摘要本文主要综述了车削中心的应用和机械部分的设计计算和校核过程。其中包括主传动系统、X 向滚珠丝杠、Z 向滚珠丝杠、主轴及主轴组件、床身与导轨的设计计算与校核，并进行伺服电机的选型。本次设计只针对车削中心的机械部分进行初步的设计。设计中纵向和横向进给机构都采用滚珠丝杠与伺服电机轴端的锥环连接方式。工件最大回转直径 400mm，Z 行程 1500mm，X，Z 轴最快移动速度 10m/min，脉冲当量 0.001mm/pulse。选择倾斜床身倾斜导轨的布局形式，在设计中，车削中心的床身截面形状选择米字形筋板。关键词：伺服系统；滚珠丝杠；主轴组件；床身；导轨AbstractAbstractThis article reviews the applications and turning the center part of the design of mechanical calculation and verification process. Including the main drive system, X to the ball screws, Z to the ball screws, spindle and spindle assembly, and the rail bed and checking design calculations, and the selection of the servo motor. The turning center designed only for preliminary design of mechanical parts. The design of vertical and horizontal ball screw feed mechanism are used with the servo motor shaft of the cone ring connection.Workpiece swing diameter of 400mm, Z travel 1500mm, X,Z-axis fastest speed 10m/min, pulse equivalent 0.001mm/pulse. Select tilt bed rail tilt the layout form, in the design, turning the center bed section shape selected rice-shaped rib. KeyWords：Servo system,Ball Screw,Spindle Components,Bed,Guid目 录目录摘 要 .IAbstract.II1 数控机床的基本概念 .11.1 数控机床的定义 .11.1.1 数控机床 .11.1.2 数字控制和数控技术 .11.2 数控机床的产生和发展 .21.2.1 数控机床的产生 .21.2.2 数控机床的发展 .32 车削中心的结构特点 .52.1 车削中心的加工范围 .52.2 车削中心的特点 .53 机床机械部分的结构 .73.1 主轴的结构 .73.2 进给传动系统 .83.2.1 数控车床对进给系统的要求 .83.2.2 滚珠丝杠副传动 .93.2.3 纵向驱动装置 .93.2.4 床鞍和横向进给机构 .103.3 床身和导轨 .103.3.1 床身的结构设计 .103.3.2 导轨的结构及其特点 .133.4 刀架的布局 .143.5 尾座的结构设计 .153.6 机床的布局设计和主要部件的特点 .153.7 主传动系统的设计 .163.8 主轴组件设计 .17目 录4 主轴及主轴组件的设计与校核 .214.1 主轴结构设计与校核 .214.1.1 主轴电机的选择 .214.1.2 主轴主要参数的初步确定 .224.1.3 主轴强度的校核 .234.1.4 主轴刚度的校核 .264.2 轴承的选择与校核 .264.2.1 选择轴承 .264.2.2 计算轴承寿命和极限转速 .274.2.3 轴承间隙调整和预紧 .294.3 轴同步带轮的设计与计算 .304.3.1 V 带的设计 .305 导轨的设计计算 .335.1 x 向导轨的设计计算 .335.2 z 向导轨的设计计算 .346 滚珠丝杠的设计 .356.1 z 方向滚珠丝杠的选型 .356.2 x 方向滚珠丝杠的选型 .42结 论 .50参考文献 .51致 谢 .521 数控机床的基本概念1 数控机床的基本概念1.1 数控机床的定义1.1.1 数控机床数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟第五技术委员会，对数控机床作如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。数控机床是把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入数控装置，经过译码运算，从而实现控制工件与刀具相对运动，加工出所需零件的一种机床。国际信息处理联盟第五技术委员会对数控机床的定义是:数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。即数控机床是采用了数控技术的机床或装备了数控装置的机床。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效的自动化机床。为满足制造业不断追求优质、高效、低成本、及时、清洁卫生的目标，作为现代制造业的主流制造装备的数控机床，在高速、高效、精密化、工序复合、功能化、柔性化和系统化方面有了新的发展。数控机床已经成为现代制造业的主流制造装备。在全世界现有的1400万台机床中，数控机床约占100万台，机床拥有量数控率约7%，数控机床己成为我国制造业中的基础制造装备。工业部门对数控机床的要求，优先考虑的侧重点略有不同。例如，汽车工业主要要求速度更快，实现高速高效加工;而航空航天工业希望更多地实现零部件的完全加工，即能使工件在一次装夹中完成全部或大部分加工;中小型企业则更重视机床的柔性 12。1.1.2 数字控制和数控技术数字控制(Numerical control)是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种控制方法。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化加工的一门新型的，发展十分迅速的高新技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备；1 数控机床的基本概念其技术范围所覆盖的领域有：机械制造技术；微电子技术；信息处理、加工、传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；检测监控技术、传感器技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业)的使能技术和最基本的装备。在提高牛产率、降低成本、保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；待别是在适应机械产品迅速更新换代、小批量、多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技术的关键。1.2 数控机床的产生和发展1.2.1 数控机床的产生在机械制造业，为保证产品质量，大批大量的产品，如汽车，拖拉机，与家用电器的零件的生产，在 20 实际 80 年代以前多采用专用的工艺设备，专用的自动化机床或者自动生产线进行生产，但是应用这些专用生产设备进行生产周期长、产品改性不易，而且会使新产品的开发周期延长。另一类机械产品单件小批产品的生产一般都通过通用机床进行。当产品改变时，工艺装备，甚至机床均需要做相应的变换和调整。通用机床的自动化程度不高，基本上由人操作，难以提高生产效率和保证产品质量，特别是一些由曲线、画面组成轮廓的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率均受到很大限制。数控机床及由其组成的加工中心（MC，Maching Center）、柔性制造系统（FMS ，Flexible Manufacturing System）等，就是为了解决上述问题，以缩短新产品的开发周期，解决复杂型面零件的加工自动化的问题并保证产品质量而产生的。自 1952 年第一台数控机床问世到如今的 50 多年中，以电子信息为基础，靠传统的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感器技术、信息处理技术、网络通信技术、液压气动技术、光电技术与一体的数控技术得到迅速的发展而广泛的应用，使得普通机械逐渐被高效率、高精度的数控机械所代替、从而形成巨大的生产力，导致制造业发生了根本的改变。数控技术已经成为现代化制造技术的基础，数控技术水平的高低，数控机床的拥有量的多少已经成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志 13。1 数控机床的基本概念1.2.2 数控机床的发展目前数控技术发展中最为活跃的有如下几个主要方面。1.高速化和高速高效加工高速加工不但可以大幅度提高加工效率、缩短加工时间、降低加工成本，而且可以使零件加工质量和加工精度达到更高水平。数控机床只有通过高速化，大幅度缩短切削工时，才可能进一步提高其生产率。数控机床的全面高速化，主要体现在如下几方面:高的主轴转速、高的快速移动速度和进给速度，各坐标轴高的加减速度，高的换刀速度(换刀时间或刀架转位时间短)，控制系统更高的数据处理速度。高速加工的切削速度比传统的高5-6倍，进给速度也相应提高，目前，高速加工中心大部分采用高速电主轴。主轴最高转速可达40000 r/min -50000r/min .目前有资料介绍主轴速度甚至可达每分钟20万转，主轴功率一般为40kw。2.高精密和超精密加工提高数控机床的加工精度，可通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来实现，如提高数控系统的分辨率;使CNC控制单元精细化;提高位置检测精度(日本交流伺服电动机有的己安装每转可产生100万个脉冲的内藏位置检测器，位置检测精度能达到0.01 Imm/脉冲)。目前加工中心的定位精度就已由过去的士5 m提高到士1m。3.工序复合化和复合加工锉铣类加工中心是工序复合化数控机床的典型代表，它把铣、键、钻、铰、攻螺纹等工序复合在一台机床上，粗、精加工兼容，减少了工件在其加工过程中的装夹次数和定位调整时间，提高了加工精度和效率。工序复合化在加工中心概念的带动下渗透到各类数控机床上，出现了车削中心、车铣中心、磨削中心、齿轮加工中心及各种复合加工中心。车削中心具备C轴功能和动力刀架;车铣中心又增加了Y轴和13轴功能，可使工件在一次装夹后完成全部加工。复合加工的工艺范围在不断扩大，如切削和磨削、切削与电加工，以及切削和激光加工复合在一起。对置式双主轴双转塔刀架的车削中心或车铣中心，解决了工件夹持端的加工问题，从而实现了全部加工。4.柔性化、系统化、智能化由于计算机技术和信息技术的飞速发展，推动数控系统更快地更新换代。世界上许多CNC生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源，开发出开放式体系结构，使CNC有1 数控机床的基本概念更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可适应向智能化、网络化发展的需要。开放式体系结构的新一代CNC系统，由于其硬、软件规范都是对外开放的，这就使CNC制造商和用户进行系统集成都得到有利的支持，也为针一对用户的二次开发带来极大方便，促进了CNC多档次，多品种的开发和广泛应用，通过扩展构成不同类型数控机床的CNC系统。数控机床在控制性能上的发展趋势是智能化。CNC系统引入了自适应控制，模糊控制和神经网络的控制机理，实现学习控制、工艺参数自动生成，三维刀具补偿、运动参数动态补偿、前馈控制等功能。在运行故障诊断中，专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。智能化伺服系统使主轴驱动和进给系统能自动识别负载并自动优化调整参数。智能型CNC使数控系统通过全闭环的信息传递而具有自律控制能力，确保整个加工过程以最优性能指标稳态运行。各种自律控制器使智能型数控机床适应智能控制系统的要求。5.先进制造系统柔性制造单元(FMC-Flexible Manufacturing Cell)是一种几乎不用人参与而能连续地对同一类型零件中不同零件进行自动化加工的最小加工单元，它既可以做为独立使用的加工设备，又可以作为柔性制造系统或柔性自动线的基本组成模块。柔性制造系统(FMS-Flexible Manufacturing System)是由加工系统、物料自动储运系统和信息控制系统三者相结合并能自动运转的制造系统。这种系统可按任意顺序加工一组不同工序与不同加工节拍的零件，工艺过程随加工零件的不同作适当调整，能在设备的技术范围内自动地适应加工零件和生厂规模的变化。计算机集成制造系统(CIMS-Computer IntergratedManufacturing System)是1974年美国的约瑟夫哈林顿博士首先提出的。CIMS是一种企业经营管理的哲理，它强调企业的生产经营是一个整体，必须用系统工程的观点来研究解决生产经营中出现的问题。集成是核心，它不仅是设备的集成，更主要的是以信息为主导的技术集成和功能集成 13。2 车削中心的结构特点2 车削中心的结构特点2.1 车削中心的加工范围车床主要是用于进行车削加工，在车床上般以加工各种回转表面，如内外圆柱面、圆锥面、成型回转表面及螺纹面等。在数控车床上还可加工高精度的曲面与端面螺纹。用的刀具主要是车刀、各种孔加工刀具(如钻头、铰刀、锤刀等)及螺纹刀具。车床主要用于加工各种抽类、套筒类和盘类零件广的回转表面。数控车床加工零件的尺寸精度可达到 0.05mm，表面粗糙度可达 1.6 以下。数控车床的种类很多，各类卧式车床都有数控化的。数控车床主要可分为数控卧式车床、数控立式车床和数控专用车床(数控曲轴车床、数控丝杠车床等)；或分为普通数控车床和车削加工中心。 2.2 车削中心的特点数控车床具有加工精度高、稳定性好、生产效率高、工作可靠等优点。车床主要用于对圆柱形、圆锥形和各种成形的回转表面，车削各种螺纹，以及对盘形零件的钻、扩、铰和镗孔加工。数控车床与卧式车床相比，有一下几个特点：（1）高精度 数控车床控制系统的性能不断提高，机械结构不断完善，机床精度日益提高。（2）高效率 随着新刀具材料的应用和机床结构的完善，数控车床的加工效率、主轴转速、传动功率不断提高，使的新型数控车床的空转动时间大为缩短。其加工效率比卧式车床高（25）倍。加工零件越复杂，越体现出数控车床的高效率加工特点。（3）高柔性 数控车床具有高柔性，适应 70以上的多品种、小批量零件的自动加工。（4）高可靠性 随着数控系统的性能提高，数控机床的无故障工作时间迅速提高。（5）工艺能力强 数控车床既能用于粗加工又能用于精加工，可以在一次装夹中完成零件全部或大部分工序。（6）模块化设计 数控车床的设计多采用模块化原则设计。2 车削中心的结构特点现在，数控车床技术还在不断向前发展着。数控车床发展趋势如下：随着数控系统、机床结构和刀具材料的技术发展，数控车床将向高速化发展，进一步提高主轴转速、刀架快速移动以及转位换刀速度：工艺和工序将更加复合化和集中化；数控车床相多主轴、多刀架加工方向发展；为实现长时间无人化全自动操作，数控车床向全自动化方向发展；机床的加工精度向更高方向发展。同时，数控车床也向简易型发展 14。3 机床机械部分的结构73 机床机械部分的结构3.1 主轴的结构Y132S22 三相异步电动机通过带轮和三条 V 型带带动主轴。由于这种电机调速范围广又为无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。主轴的正反转启动和停止是直接控制电动机来实现的。主轴的前端是三个角接触球轴承，前面两个大口朝外（朝向主轴前端），后面一个大口朝里（朝向主轴后端），形成背靠背组合形式。轴承由圆螺母预紧，预紧量在轴承制造时已调好。因为带轮直接安在主轴上，又没有卸荷装置，为了加强刚性，主轴后支承为双列圆柱滚子轴承。其径向间隙由圆螺母来调整。主轴的脉冲发生器是由主轴通过一对带轮和齿形带带动的，和主轴同步运转，齿形带的松紧由螺钉来调整。调节时，先将机床上固定脉冲发生器支架的螺钉略松，再进行调整，调好后再将支架固定。同步齿形带是一种新型的带传动。齿形带传动在数控机床上得到了广泛的应用。因为它具有以下优点：齿形带兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，无相对滑动，无须特别张紧，传动效率高；平均传动比准确，传动精度较高、厚度小、质量小，故可用于高速传动。齿形带根据齿形的不同又分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带。梯形齿同步带在传递功率时由于应力集中在齿根部位，使功率传递能力下降，且与轮齿啮合时由于受力状况不好，会产生噪声和振动。而圆弧齿同步带均化了应力，改善了啮合条件。所以，带传动时，总是优先选择圆弧齿同步带。而梯形齿同步带，一般仅在转速不高的或小功率的动力传动中使用。所以选择圆弧齿同步带。齿形带带轮的结构和尺寸。齿形带带轮除轮缘表面需制出轮齿外。其他结构与平带带轮相似。为了防止工作时齿形带的脱落，一般在小带轮两边装有挡边。然而，我们用的是同步齿形带，两个带轮是相等大小的，则无需装挡边。3 机床机械部分的结构83.2 进给传动系统3.2.1 数控车床对进给系统的要求数控车床进给系统的机械传动结构是指将电动机的旋转运动转变为工作台或刀架的往复运动的整个机械运动链，包括齿轮传动副、丝杠螺母副及其支承部件。为了保证数控机床进给系统的定位精度和动态性能，对其机械传动装置提出了高传动刚度、抗振性、低摩擦、低惯量、无间隙等要求。1.高传动刚度进给传动系统的高传动刚度主要取决于丝杠螺母副及其支承部件的刚度。刚度不足与摩擦阻力一起会导致工作台产生爬行现象以及造成反向死区，影响传动准确性。缩短传动链，合理选择丝杠尺寸，以及对丝杠螺母副及支承部件等预紧是提高传动刚度的有效途径。2.抗振性为了提高进给系统的抗振性，应使机械构件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的2-3倍。3.低摩擦进给传动系统要求运动平稳、定位准确、快速响应速度高，因此必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差，除了在导轨设计中采用滚动导轨外，在进给系统中还普遍采用了滚珠丝杠副。4，低惯量进给系统由于经常需要进行起动、停止、变速或反向，若机械传动装置惯量大，会增大负载并使系统动态性能变差。因此，在满足强度与刚度的前提下，应尽可能减小运动部件的质量.数控车床的进给传动方式和结构特点与普通车床、自动和半自动车床截然不同。他只用于伺服电机（直流或交流）驱动，通过滚珠丝杠带动刀架完成纵向（Z 轴）和横向（X 轴）的进给运动。由于数控车床采用了脉宽调速伺服电机及伺服系统，因此进给和车螺纹范围很大。一般数控车床的快速移动速度可达10m/min15m/min。数控车床所用的伺服电机除有较宽的调速范围并能无级调速外，还能实现准确定位。在走刀和快速移动下停止，刀架的定位精度和重复定位精度误差不超过 0.01mm。3 机床机械部分的结构9进给系统的传动要求准确、无间隙。因此，要求进给传动链中的各环节，如伺服电机与丝杠的联接，丝杠与螺母的配合及支承丝杠两端的轴承等都要消除间隙。如果经调整后仍有间隙存在，可通过数控系统进行间隙补偿，但补偿的间隙量最好不超过 0.05mm。因为传动间隙太大对加工精度影响很大，特别是在镜像加工（对称切削）方式下车削圆弧和锥面时，传动间隙对精度影响更大。除上述要求外，进给系统的传动还应灵敏和有较高的传动效率 9。3.2.2 滚珠丝杠副传动中，小型数控车床的进给系统普遍采用滚珠丝杠副传动。伺服电机与滚珠丝杠的传动连接方式有两种：（1）滚珠丝杠与伺服电机轴端的锥环连接锥环连接时进给传动系统消除传动间隙的一种比较理想的连接方式，其工作原理为：两组相互配合的锥环，当拧紧螺钉时，经过法兰压外锥环，由于相配合的锥面的作用，结果使外锥环的外径膨胀，内锥环的内孔收缩，靠摩擦力使电机轴与带轮联接在一起。根据所传递转矩的大小，选择锥环的对数。这种轴连接件之间的相对角度可任意调节，配合无间隙，故对中性好。（2）滚珠丝杠通过同步齿形带与伺服电机连接为了消除同步齿形带传动对精度的影响，将脉冲编码器安装在滚珠丝杠的端部，以便直接对滚珠丝杠的旋转状态进行检测。这种结构允许伺服电机的轴端朝外安装，因而可避免电机外伸，加大机床的高度和长度尺寸，或影响机床的外形美观。设计中纵向进给机构采用滚珠丝杠与伺服电机轴端的锥环连接方式，而横向进给机构采用滚珠丝杠通过同步齿形带与伺服电机连接方式 2。3.2.3 纵向驱动装置1.床鞍的结构特点床鞍的纵向移动由伺服电机带动滚珠丝杠来实现的。丝杠的两端支承在成对的丝杠专用的角接触球轴承上。前轴承由螺母锁紧，后轴承由两个套筒和轴用弹簧卡圈定位。丝杠的前端轴向是固定的，后端轴向则是自由的，可以补偿由于温度变化引起的伸缩变形。3 机床机械部分的结构10滚珠丝杠螺母副为内循环浮动式法兰，直筒双螺母垫片预紧形式。丝杠前端与伺服电机之间用弹性膜片联轴器联接，可以消除丝杠与电机之间的不同轴度的影响。伺服电机与联轴器之间采用锥环联接。2.常用联轴器膜片联轴器是有几组膜片（不锈钢薄板）用螺栓交错地与两半联轴器联接，每组膜片由数片叠集而成，膜片分为连杆式和不同形状的正片式。膜片联轴器靠膜片的弹性变形来补偿所联两轴的相对位移，是一种高性能的金属弹性元件挠性联轴器，不用润滑，结构较紧凑，强度高，使用寿命长，无旋转间隙，不受温度和油污影响，具有耐酸、耐碱、防腐蚀的特点，适用于高温、高速、有腐蚀介质工况环境的轴系传动，广泛用于各种机械装置的轴系传动。3.2.4 床鞍和横向进给机构在床鞍中部装有与横向导轨平行的内循环滚珠丝杠副，滚珠丝杠支承在成对的丝杠专用的角接触球轴承上。丝杠的导程为 10mm，由 P10B13100HXS 伺服电机通过弹性膜片连轴器与丝杠直接相连。由于刀架为倾斜布置，而滚珠丝杠又不能自锁，刀架可能自动下滑，这个问题由直流伺服电机的电磁制动来解决。为了消除齿形带传动误差对精度的影响，采用了分离检测系统，把反馈元件脉冲编码器与丝杠相联接，直接检测丝杠的回转角度，有利于系统的精度提高。齿形带的放松用螺钉来调整 8。3.3 床身和导轨3.3.1 床身的结构设计1. 对床身结构的基本要求机床的床身时整个机床的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。对数控机床主要在以下三个方面提出了更高的要求。（1）很高的精度和精度保持性3 机床机械部分的结构11在床身上由很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面本身的精度和相对位置精度要求都很高，而且要很长时间保持。另外机床在切削加工时，所有的静、动载荷最后都往往传到床身上，所以，床身上的受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，除满足几何尺寸、位置等精度要求外，还要满足静、动刚度和抗振性、热稳定性、工艺性等方面的技术要求。（2）应具有足够的静、动刚度静刚度包括：床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度质量比。动刚度直接反映机床的动态特性，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当增加阻尼、提高固有频率等措施避免共振及因薄壁振动而产生的噪声。（3）较好的热稳定性对数控机床来说，尤其是高精度的数控机床，热稳定性已成了一个突出问题，必须在设计上作到使整体的热变形较小，或使热变形对加工精度的影响较小。2. 床身布局特点床身的结构对机床的布局有很大影响。床身是机床的主要承载部件，使机床的主体。按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身可分为五种布局形式。一般来说，中、小规格的数控车床都采用斜床身和平床身斜滑板居多，只有大型数控车床和小型精密数控车床采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但床身下面的空间小，排屑困难。刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样，既保持了平床身工艺性好的有点，床身宽度也不会太大，斜床身和平床身斜滑板结构在现代化数控车床中被广泛应用，因为这种布局形式具有一下特点：（1） 容易实现机电一体化。（2） 机床外形整齐、美观、占地面积小。（3） 容易设置封闭式防护装置。（4） 容易排屑和安装自动排屑器。（5） 从工件上切下地炽热切屑不致于堆积在导轨上影响导轨精度。（6） 宜人性好，便于操作。（7） 便于安装机械手，实现单机自动化。3 机床机械部分的结构123. 床身形式的选取在了解斜床身斜导轨布局形式的种种优点之后，故在本设计中选择倾斜床身倾斜导轨的布局形式。斜床身按导轨相对于地面倾斜角度不同，可分为 30、45、60、75和90（即立式床身）。其中 30、45多为小型数控车床采用；60形式适用于中等规格数控车床；75形式多为大型数控车床采用。倾斜角的大小将影响到刚度、排屑，也影响到占地面积、宜人性、外形尺寸高度的比例，以及刀架质量作用于导轨面垂直分力的大小等等。选用时，应结合机床规格、精度等选择合适的倾斜角。数控车床与普通车床比较，具有功率大精度高兼做粗精加工的优点。所以，对支承件的刚度和抗振性提出了更高的要求。为此，床身和导轨除采用倾斜结构外，床身采用了封闭式箱形结构，具有很高的刚度。数控机床的床身选择了箱体结构，合理设计床身的截面形状及尺寸，采用合理布置的筋板结构可以在较小质量下获得较高的静刚度和适当的固有频率。床身筋板一般根据床身结构和载荷情况进行设计，满足床身刚度和抗振性要求 ，V 型筋有利于加强导轨支承部分的刚度、斜方筋和对角筋结构可明显增强床身的扭转刚度，并且便于设计成全封闭的箱形结构。此外还有纵向筋板和横向筋板，分别对抗弯刚度和抗扭刚度有明显效果；米字形筋板和井字形筋板的抗弯刚度也较高，尤其是米字形筋板更高 1。基于斜床身斜滑板床身的特点，在设计中采用这种形式的床身。图 3-1 床身形式3 机床机械部分的结构133.3.2 导轨的结构及其特点1. 导轨的结构特点滚动导轨的优点是摩擦系数小于 0.005，静、动摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。数控机床导轨的行程一般较长，因此滚动体必须循环。常用的有直线导轨副和滚动导轨块。直线导轨副一般用滚珠做滚动体，滚动导轨块用滚子做滚动体。在设计中选用了直线导轨副。2 .导轨的结构组成直线滚动导轨副包括导轨条和滑块两部分组成。导轨条通常为两根，装在支撑件上，每根导轨上有 2 个滑块，固定在移动导轨体上。如果动导轨体较长，也可在一个导轨条上装 3 个滑块。如果动导轨体较宽，可采用 3 根导轨。在设计中选择两个导轨，每个导轨上有两个滑块的结构。3. 导轨的工作原理直线滚动导轨的工作原理：滑块中装有四组滚珠，在导轨条的滑块的直线轨道内滚动。当滚珠滚到滑块的端点，就经合成树脂制造的端面挡板和滑块中的回珠孔回到另一端，经另一端面的挡块，再进入循环。四组滚珠各有自己的回珠孔，分别处于滑块的四角。四组滚珠和滚道相当于四个直线运动角接触球轴承。接触角为 45度，四个方向具有相同的承载能力。由于滚到的曲率半径略大于滚珠半径，在载荷的作用下接触区为椭圆，接触面积随载荷的大小而变化。4. 导轨的设计过程滚动导轨的设计，主要是根据导轨的工作条件，选择直线滚动导轨或滚动导轨块的型号数量并进行合理的配置。在设计中横向和纵向进给机构的导轨均采用直线滚动导轨副，且为两个导轨，每个导轨上有两个滑块的结构。首先要计算直线滚动导轨的受力。再根据导轨的工作条件和寿命要求计算动载荷。依此选择直线滚动导轨的型号；或者根据导轨的工作条件，选择直线滚动导轨，再验算寿命是否符合要求，最后进行导轨的结构设计。5. 导轨的润滑数控机床的导轨采用集中供油，自动点滴式润滑。国产润滑设备油 XHZ 洗礼稀油集中润滑装置。该装置是由定量润滑泵、进回油精密虑油器、液位监测器、进给油检测器、压力继电器、递进分油器及油箱组成。可对导轨面进行定时定量供油。此方法为导轨的油润滑。3 机床机械部分的结构14固体润滑是将固体润滑脂覆盖在导轨的摩擦表面上，形成粘结型固体润滑膜，以降低摩擦，减少磨损。固体润滑剂种类较多，按基本原理可分为金属类、金属化合物类、无机物类和有机物类。在润滑油脂中添加固态润滑剂粉末，可增强或改善润滑油脂的承载能力、实效性能和高低温性能。6. 导轨的防护导轨的防护是防止或减少导轨副的磨损、延长导轨寿命的重要方法之一，对数控机床显得更为重要。防护装置已由专门的工厂生产，可以外购。导轨的防护方法很多，有刮板式、卷帘式、伸缩式（包括软式皮腔式和叠层式）等，对数控机床，大多采用叠层式防护罩。叠层式防护罩，随着导轨的移动可以伸缩。有低速（12m/min）、中速（30m/min）等两种。在设计中，因为快速进给速度为 15m/min，所以选择中速叠层式防护罩 8。3.4 刀架的布局1 .数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造水平。随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。2. 刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，刀架在结构上必须既有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力；由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，故要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精度（一般位 0.001mm0.005mm）。此外还应满足换刀时间短、结构紧凑、安全可靠等。3. 刀架是数控车床的重要部件，它对机床整体布局影响很大。回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作。一般来说旋转直径超过 100mm 的机床大多采用回转刀架。根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式轴向装到刀架，并相应的安装四把、六把或更多的刀具。两坐标连续控制的数控车床，一般都采用 12 工位的回转刀盘。回转刀架在机床上的布局主要有两种：一种是适应于加工轴类和盘形零件的刀架，其回转轴与主轴平行；另一种是专门用于加工盘类零件的刀架，其回转轴与主轴垂直。此外，还有分别加装在两个滑板上的回转刀架的结构形式。这种结构的数控车床称为双刀架四3 机床机械部分的结构15坐标数控车床。每个独立刀架的切削进给可分别控制，因而可同时切削同一工件的不同部分，不仅加工范围广，还能提高加工效率。四坐标的数控需要配置专门的CNC 装置，机械结构也比较复杂。它主要用于加工形状复杂、批量较大的零件。可是在设计种我们要设计的数控机床，属于通用型的机床，则无需配置双刀架，选用12 工位的回转刀架并采用回转轴与主轴平行的布局形式即可。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架压紧等几个步骤。它的动作是根据数控指令进行，由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制 6。3.5 尾座的结构设计当手动移动尾架到所需位置后，先用螺钉进行预定位，紧螺钉时，使两楔块上的斜面顶出轴，使得尾架紧贴在矩形导轨的两内侧面上，然后，用螺母螺栓和压板，将尾架紧固。这种结构，可以保证尾架的定位精度。尾架套筒内轴上装有顶尖，因轴能在尾架套筒内的轴承上转动，故顶尖使活顶尖。为了使顶尖保证高的回转精度，前轴承选用 NN3000K 双列圆柱滚子轴承，轴承的径向间隙用螺母调整；后轴承为三个角接触球轴承，由放松螺母来固定。尾架套筒与尾架孔的配合间隙，由内外锥套来做微量调整。当向内压外锥套时，使得内锥套内孔缩小，即可使配合间隙减小；反之变大，压紧力用端盖来调整。尾架套筒用压力油驱动。若在孔内通入压力油，则尾架套筒向前运动，若在孔内通入压力油，尾架套筒就向后运动。预紧力的大小用液压系统的压力来调整。尾架套筒行程大小可以用安装在套筒上的挡铁通过行程开关来控制。尾架套筒的进退由操纵面板上的按钮来操纵。在电路上尾架套筒的动作与主轴互锁 ，即在主轴转动时，按动尾架套筒推出按钮，套筒并部动作，只有在主轴停止状态下，尾架套筒才能退出，以保证安全 15。3.6 机床的布局设计和主要部件的特点机床为机、电、液、气四位一体，按照人机工程学宜人化进行布局设计，全封闭防护，操作简便，维修方便。1. 采用倾斜转身机床采用倾斜床身。床身采用整体高刚性结构。矩形导轨，采用宽支承窄导向的设计以增加运动平稳性。导轨采用滚动式导轨，可明显降低摩擦阻力，而且具有良好的动态特性。3 机床机械部分的结构162. 主轴特点床身左端为主轴箱，其结构简单，无齿轮传动。主轴由 Y 系列三相异步电动机驱动。机床可以无级调速和恒线速度切削，有利于降低端面加工时的表面粗糙度值，且便于选取最能发挥刀具切削性能的切削速度。主轴承为超精密角接触球轴承以保证主轴的刚性和精度。主轴采用高级润滑，温升低，热变形小。3. 纵向横向进给系统机床纵向和横向运动均采用交流伺服电机，滚珠丝杠与伺服电机通过弹性膜片连轴器直接相联。纵向驱动装置安装在纵向床身导轨之间。脉冲编码器与滚珠丝杠相联，可直接反映滚珠丝杠精度。床身采用间歇润滑系统对床身导轨、床鞍和滚珠丝杠等部件集中润滑，定时定量供油。4. 12 位电动回转刀架机床床鞍溜板导轨上装有 12 位的电动转塔刀架，具有分度转位快、平稳可靠、无渗漏等优点。5. 卡盘和尾座机床卡盘和尾座均为液压控制。液压夹紧油缸尾高速卡盘液压缸。卡盘为液压卡盘。尾座在床身右端 8。3.7 主传动系统的设计数控机床的主传动系统除应满足普通床主传动要求外，还提出如下要求：（1）具有更大的调速范围，并实现无级调速 数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，工序集中，工件一次装夹，可